LED光度测量中关于标准灯选择的研究

庄庆瑞

(厦门市产品质量监督检验院，福建 厦门 361000)

LED光度测量中关于标准灯选择的研究

庄庆瑞

(厦门市产品质量监督检验院，福建 厦门 361000)

本文针对LED光度测量中无法备齐各式各样与待测LED光谱分布相同的LED标准管的实际问题，从光谱辐射度计和光度计的角度，讨论其校准原理，对比分析了不同类型标准灯对校准和测量结果的影响及其原因，并提出选择标准灯的方案。

LED；标准灯；光度测量；校准

引言

LED光源以其节能环保、光色可调、寿命长、可靠性好等特点，在照明和显示领域已被广泛应用[1]，其单色性特点已成为农业、医疗等特殊领域研究的热点[2-3]。照度、发光强度、光通量、亮度是基本的几个光度学参数，它们的测量都是基于特定面积单元上光信号的采集。例如使用积分球测量光通量的仪器，主要由积分球以及安装在球壁内表面的光度计或光谱辐射度计构成[4]。由于测量系统体积大而笨重，且带光纤的仪器在运输后必须重新校准以确保其准确性，送到计量机构进行校准不方便，因此大多采用可轻便携带的标准灯进行量值溯源(校准)。那么，在LED测量中如何选择标准灯？传统的标准灯如钨丝灯，具有连续光谱且大致各自同性，功率从10 W到1 000 W，钨丝灯的光通量校准不确定度为1.5%左右。LED因其空间分布显著不均匀、光谱不连续等特点，对测量结果有较大影响，因此出现了LED标准管[5-7]。目前常采用20 mA的白光和单色光(红、绿、蓝)LED标准管，中国计量科学研究院给出的光通量校准不确定度LED标准管为3%左右。光通量测量中与标准灯有关的误差来源主要有光谱分布、空间分布、外形尺寸。其中与探头直接相关的因素是光谱分布，本文以光通量为例，针对不同类型探头(光谱辐射度计和光度计)，从校准原理出发，探讨LED测量中标准灯的选择。

1 光谱辐射度计

校准使用光谱辐射度计的积分球光通量测量仪器需使用已知光谱辐射通量的标准灯。大部分仪器的软件都带有校准功能，校准时将标准灯的光谱辐射通量数据导入，软件通过将标准灯在各个波长的辐射通量与光谱辐射度计采集到的光信号值相比，从而得到一组对应波长的校准系数(也称为光谱响应率)。式(1)是测量待测样品光通量的计算公式。

(1)

φs(λ)=C(λ)×Is(λ)

(2)

(3)

式中Km=683 lm/W，C(λ)为波长λ处的辐射通量的校准系数；φ标(λ)、I标(λ)为标准灯在波长λ处的辐射通量(一般由校准证书给出)和光信号值(由仪器测得)；φs(λ)、Is(λ)为波长λ处待测样品的辐射通量和光信号值；φs为待测样品的光通量；V(λ)为光视效率函数；Δλ为波长间隔。

该方法实际上是对每个波长的辐射通量(即光谱辐射通量)进行校准，计算光通量时采用精确的光视效率函数V(λ)，不存在V(λ)匹配误差，并且可同时用于计算总辐射通量、颜色(如三刺激值、相关色温)和显色指数等，因而被广泛采用。

CIE 127要求测量LED时应使用全光谱辐射通量标准灯(如钨丝灯)对该仪器系统进行校准，同时也提到当采用不同颜色LED标准管对结果进行确认时，可能产生不一致。因此，目前也存在一种做法：测量白光和单色光LED时，分别采用白光和对应的单色光LED标准管作为标准灯，或者都采用白光LED标准管作为标准灯。以下我们将比较不同类型标准灯的校准结果。

如图1所示，实线分别是正向工作电流20 mA的白光、红光、绿光、蓝光LED标准管的光谱辐射通量曲线；虚线A、B、C、D、E为利用这四个LED标准管进行校准后分别得到的光谱校准系数曲线，此外虚线E为利用10 W卤钨灯进行校准后得到的光谱校准系数曲线。可见，蓝光在440 nm～520 nm，绿光在430 nm～575 nm，红光在600 nm～570 nm波段内的光谱校准曲线与白光LED匹配得较好。而在其它波段，则出现了较大波动和偏离，甚至严重偏离(如蓝光520 nm～550 nm)。结合标准灯的光谱辐射通量曲线发现，校准系数匹配较好的波段，对应单色光的辐射通量较大，而校准系数偏离较大的波段，对应单色光的辐射通量很小。可见，辐射通量小，光谱仪采集的信号弱，信噪比低，因而测量误差大，导致校准系数不准确；反之，辐射通量大，信噪比高(一般大于10∶1，对应光谱范围也称为标准灯的有效波长)，校准系数也更准确。

图1 标准灯光谱辐射通量和校准系数曲线Fig.1 Curve:spectral radiant flux and calibration coefficient of standard lamps

图1中白光LED标准管校准系数曲线和卤钨灯相比，在380 nm～440 nm波段存在较大偏离，在720 nm～780 nm有较大波动(毛刺)。对比二者的光谱辐射通量曲线(图2)我们可以发现，常见的10 W卤钨灯在可见光范围内具有远远高于20 mA白光LED的辐射通量，良好的信噪比也体现在校准系数曲线的平滑无毛刺。白光LED辐射通量很低是白光LED校准系数曲线在上述波段产生偏离和较大波动的主要原因。

图2 白光LED标准灯和卤钨灯光谱辐射通量和校准系数曲线Fig.2 Curve:spectral radiant flux and calibation coefficient of the standard white LED and the halogen tungsten lamp

如图3所示，将图1中从红、绿、蓝各单色光光谱辐射通量较大、信噪比良好的波段放大后发现，各单色光的校准系数曲线和卤钨灯、白光LED匹配得较好(误差不超过3%)的同时，其变化趋势也基本一致。同时，图3各波段中卤钨灯校准系数最大，白光LED最小，各单色光LED居中，对照图1和图2，对应波段卤钨灯光谱辐射通量最大，白光LED最小，各单色光LED居中，即校准系数变化与标准灯光谱辐射通量大小有关，可以认为，使用不同标准灯得到的校准系数所存在的误差主要来源于仪器的线性误差。

图3 单色光LED校准系数曲线局部放大图Fig.3 Partial magnification:calibration coefficient curves of single-colour LEDs

由上述分析可知，LED光谱存在不连续性，决定了其在某些波长的发光很弱甚至不发光，且目前使用的LED标准管由于功率较小，即使是白光LED也无法在可见光各波长范围内具有足够大的辐射通量以获得满意的信噪比，从而对全可见光波段进行校准。对于特定颜色的待测LED，在仪器线性度不佳的情况下，可采用与其功率相当且有效波长能够覆盖待测LED的LED标准管(如图4所示)作为标准灯，这样能够减小由于仪器线性误差产生的影响(如表1所示)。

图4 待测LED及所选用LED标准管光谱示例Fig.4 Examples for spectrum of a tested LED and a corresponding standard LED

对于白光LED的测量，往往难以找到光谱形状相似的LED标准管，而卤钨灯辐射通量往往比LED高出1～2个量级，为了减小线性误差，可准备几支不同颜色LED标准管，它们的有效波长叠加后应能覆盖整个可见光波段，对它们分别进行校准后，截取各有效波长的校准系数曲线并重新连接，从而得到全可见光波段的校准系数曲线。考虑到目前LED标准管的校准不确定度(3%)大于钨丝灯(1.5%)，对于线性响应良好的仪器，也可直接使用钨丝灯作为标准灯。

2 光度计

光度计具有测量速度快的优点，因此也被广泛使用。校准使用光度计的积分球光通量测量仪器需使用光通量标准灯。将待测光源和标准灯先后放在积分球中相同位置测量，根据式(4)计算待测光源光通量：

(4)

φs=C×Is

(5)

式中，C为光通量的校准系数；φ标、I标分别为标准灯的光通量标准值(由校准证书给出)和光电信号值(由仪器测得)；φs、Is分别为待测光源的光通量和光信号值。

图5是一款光度计的光谱响应曲线，可见在380 nm～500 nm的匹配误差比其它波段大，表2是使用该光度计测量卤钨灯、白光LED和蓝光LED的结果。可见，与传统钨丝灯相比，LED光源，特别是对单色光LED而言，如果其发光波长恰好处于

图5 光度计光谱响应Fig.5 Curve：spectral response of the photometer

光度计V(λ)匹配误差较大的位置，测量误差将被放大，由于因此光度计校准时应选择与待测LED具有相似光谱分布的LED标准灯，而校准系数也仅适用该光谱范围。实际测量时要备齐各种颜色各种光谱形状的LED标准灯非常困难，因此需将V(λ)匹配误差纳入不确定度评估因素，且应该针对待测LED的颜色评估对应波段的V(λ)匹配误差。

表2 使用光度计的积分球测量不用光源光通量Table 2 Luminous flux rneasurement results of different types of lamps using the integrating sphere

3 结束语

从光谱辐射度计和光度计的角度出发讨论LED光度测量中的影响因素，采用不同光通量标准灯进行校准和测试，分析其校准原理和校准系数的误差来源。就目前仪器和LED标准灯的实际情况提出了使用不同类型探头进行LED测量时标准灯的选择方案。

[1] 窦林平. 2016中国LED照明行业趋势展望[J]. 照明工程学报, 2016,27(1):I0007-I0009.

[2] 郑炳松. LED光源在生物医学中的应用分析[J]. 照明工程学报, 2016,27(3):131-137.

[3] 许巧云. LED植物照明技术及产业状况分析[J].光源与照明, 2016(2):33-35.

[4] The Measurement of Luminous Flux:CIE 84:1989.

[5] 吕正,吕亮,樊其明. 着眼于国际比对的LED国家光学计量标准的建立[J]. 中国照明电器, 2008(1):30-34.

[6] 吕正,徐英莹. LED计量基标准与现行测试标准的区别[J]. 中国照明电器, 2008(6):27-30.

[7] 刘慧. 照明计量与测试技术的新进展[J]. 照明工程学报, 2016,27(2).

Study on the Selection of Standard Lamps in LED Photometric Measurements

ZHUANG Qingrui

(XiamenProductsQualitySupervision&InspectionInstitute，Xiamen361000,China)

For the practical situation that it is almost impossible to get all kinds of standard LEDs with the same spectrum as test LEDs in photometric measurements, we discuss the factors associated with spectroradiometer and photometer. The influence of different types of standard lamps on the calibration and measurement results are analyzed and compared, and the scheme of selecting standard lamps is proposed.

LED; standard lamp; photometric measurement; calibration

工业和信息化部电子信息产业发展基金项目《室内半导体照明器件、电光源产品与检测技术研发及应用》(工信部财[2013]472号),质检公益性行业科研专项《人工照明光源与自然阳光光生物安全性的研究》(201410140)，国家国际科技合作专项《LED照明现场检测方法研究及评价》(S2015GR1002)，港澳台科技合作专项《LED灯具加速寿命试验方法与可靠性研究》(2015DFT10120) 通信作者：庄庆瑞，E-mail：qingrui_zhuang@163.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.009